第 1章 Linux系統(tǒng)入門1
1.1 Linux的發(fā)展歷史 1
1.2 Linux發(fā)行版 2
1.2.1 Red Hat Linux 2
1.2.2 Debian Linux 3
1.2.3 SuSE Linux 4
1.2.4 優(yōu)麒麟Linux 4
1.3 Linux內(nèi)核 5
1.3.1 宏內(nèi)核和微內(nèi)核 5
1.3.2 Linux內(nèi)核概貌 6
1.4 如何學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核 9
1.5 Linux內(nèi)核實(shí)驗(yàn)入門 10
1.5.1 實(shí)驗(yàn)1：在虛擬機(jī)中安裝優(yōu)麒麟Linux 18.04系統(tǒng) 10
1.5.2 實(shí)驗(yàn)2：給優(yōu)麒麟Linux系統(tǒng)更換心臟 14
1.5.3 實(shí)驗(yàn)3：使用定制的內(nèi)核runninglinuxkernel 15
1.5.4 實(shí)驗(yàn)4：如何編譯和運(yùn)行一個(gè)ARM Linux內(nèi)核 19
第 2章 Linux內(nèi)核基礎(chǔ)知識 22
2.1 Linux常用的編譯工具 22
2.1.1 GCC工具 22
2.1.2 ARM GCC 23
2.1.3 GCC編譯 24
2.2 Linux內(nèi)核中常用的C語言技巧 25
2.3 Linux內(nèi)核中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法 31
2.3.1 鏈表 31
2.3.2 紅黑樹 34
2.3.3 無鎖環(huán)形緩沖區(qū) 36
2.4 Vim工具的使用 38
2.4.1 Vim 8介紹 38
2.4.2 Vim的基本模式 38
2.4.3 Vim中3種模式的切換 39
2.4.4 Vim光標(biāo)的移動 40
2.4.5 刪除、復(fù)制和粘貼 41
2.4.6 查找和替換 41
2.4.7 文件相關(guān) 41
2.5 git工具的使用 42
2.5.1 安裝git 43
2.5.2 git基本操作 43
2.5.3 分支管理 46
2.6 實(shí)驗(yàn) 48
2.6.1 實(shí)驗(yàn)1：GCC編譯 48
2.6.2 實(shí)驗(yàn)2：內(nèi)核鏈表 51
2.6.3 實(shí)驗(yàn)3：紅黑樹 52
2.6.4 實(shí)驗(yàn)4：使用Vim工具 52
2.6.5 實(shí)驗(yàn)5：把Vim打造成一個(gè)強(qiáng)大的IDE編輯工具 52
2.6.6 實(shí)驗(yàn)6：建立一個(gè)git本地倉庫 60
2.6.7 實(shí)驗(yàn)7：解決合并分支沖突 62
2.6.8 實(shí)驗(yàn)8：利用git來管理Linux內(nèi)核開發(fā) 65
2.6.9 實(shí)驗(yàn)9：利用git來管理項(xiàng)目代碼 67
第3章 內(nèi)核編譯和調(diào)試 73
3.1 內(nèi)核配置 73
3.1.1 內(nèi)核配置工具 73
3.1.2 .config文件 74
3.2 實(shí)驗(yàn)1：通過QEMU調(diào)試ARM Linux內(nèi)核 76
3.3 實(shí)驗(yàn)2：通過QEMU調(diào)試ARMv8的Linux內(nèi)核 78
3.4 實(shí)驗(yàn)3：通過Eclipse QEMU單步調(diào)試內(nèi)核 81
3.5 實(shí)驗(yàn)4：在QEMU中添加文件系統(tǒng)的支持 85
第4章 內(nèi)核模塊 86
4.1 從一個(gè)內(nèi)核模塊開始 86
4.2 模塊參數(shù) 90
4.3 符號共享 92
4.4 實(shí)驗(yàn) 93
4.4.1 實(shí)驗(yàn)1：編寫一個(gè)簡單的內(nèi)核模塊 93
4.4.2 實(shí)驗(yàn)2：向內(nèi)核模塊傳遞參數(shù) 95
4.4.3 實(shí)驗(yàn)3：在模塊之間導(dǎo)出符號 95
第5章 簡單的字符設(shè)備驅(qū)動 96
5.1 實(shí)驗(yàn)1：從一個(gè)簡單的字符設(shè)備開始 97
5.2 字符設(shè)備驅(qū)動詳解 102
5.2.1 字符設(shè)備驅(qū)動的抽象 102
5.2.2 設(shè)備號的管理 104
5.2.3 設(shè)備節(jié)點(diǎn) 104
5.2.4 字符設(shè)備操作方法集 105
5.3 實(shí)驗(yàn)2：使用misc機(jī)制來創(chuàng)建設(shè)備 107
5.4 一個(gè)簡單的虛擬設(shè)備 109
5.4.1 實(shí)驗(yàn)3：為虛擬設(shè)備編寫驅(qū)動 109
5.4.2 實(shí)驗(yàn)4：使用KFIFO改進(jìn)設(shè)備驅(qū)動 112
5.5 阻塞I O和非阻塞I O 115
5.5.1 實(shí)驗(yàn)5：把虛擬設(shè)備驅(qū)動改成非阻塞模式 115
5.5.2 實(shí)驗(yàn)6：把虛擬設(shè)備驅(qū)動改成阻塞模式 118
5.6 I O多路復(fù)用 122
5.6.1 Linux的I O多路復(fù)用 122
5.6.2 實(shí)驗(yàn)7：向虛擬設(shè)備中添加I O多路復(fù)用支持 123
5.7 實(shí)驗(yàn)8：為什么不能喚醒讀寫進(jìn)程 128
5.8 實(shí)驗(yàn)9：向虛擬設(shè)備中添加異步通知 129
5.9 本章小結(jié) 133
第6章 系統(tǒng)調(diào)用 134
6.1 系統(tǒng)調(diào)用概念 134
6.1.1 系統(tǒng)調(diào)用和POSIX標(biāo)準(zhǔn) 135
6.1.2 系統(tǒng)調(diào)用表 135
6.1.3 用程序訪問系統(tǒng)調(diào)用 136
6.1.4 新增系統(tǒng)調(diào)用 137
6.2 實(shí)驗(yàn) 137
6.2.1 實(shí)驗(yàn)1：在ARM32機(jī)器上新增一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用 137
6.2.2 實(shí)驗(yàn)2：在優(yōu)麒麟Linux機(jī)器上新增一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用 138

第7章 內(nèi)存管理 139
7.1 從硬件角度看內(nèi)存管理 139
7.1.1 內(nèi)存管理的遠(yuǎn)古時(shí)代 139
7.1.2 分段機(jī)制 141
7.1.3 分頁機(jī)制 142
7.1.4 虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 143
7.2 從軟件角度看內(nèi)存管理 144
7.2.1 free命令 144
7.2.2 從應(yīng)用編程角度看內(nèi)存管理 145
7.2.3 從內(nèi)存布局圖角度看內(nèi)存管理 146
7.2.4 從進(jìn)程角度看內(nèi)存管理 150
7.3 物理內(nèi)存管理 154
7.3.1 物理頁面 155
7.3.2 內(nèi)存管理區(qū) 159
7.3.3 分配和釋放頁面 162
7.3.4 分配小塊內(nèi)存 170
7.4 虛擬內(nèi)存管理 177
7.4.1 進(jìn)程地址空間 177
7.4.2 內(nèi)存描述符mm_struct 178
7.4.3 VMA管理 180
7.4.4 malloc分配函數(shù) 183
7.4.5 mmap 185
7.5 缺頁異常 188
7.5.1 do_page_fault函數(shù) 189
7.5.2 匿名頁面缺頁異常 190
7.5.3 文件映射缺頁中斷 190
7.5.4 寫時(shí)復(fù)制缺頁異常 191
7.5.5 缺頁異常小結(jié) 192
7.6 內(nèi)存短缺 193
7.6.1 頁面回收算法 193
7.6.2 OOM Killer機(jī)制 194
7.7 內(nèi)存管理實(shí)驗(yàn) 195
7.7.1 實(shí)驗(yàn)1：查看系統(tǒng)內(nèi)存信息 195
7.7.2 實(shí)驗(yàn)2：獲取系統(tǒng)的物理內(nèi)存信息 197
7.7.3 實(shí)驗(yàn)3：分配內(nèi)存 199
7.7.4 實(shí)驗(yàn)4：slab 200
7.7.5 實(shí)驗(yàn)5：VMA 201
7.7.6 實(shí)驗(yàn)6：mmap 203
7.7.7 實(shí)驗(yàn)7：映射用戶內(nèi)存 203
7.7.8 實(shí)驗(yàn)8：OOM 204
第8章 進(jìn)程管理 205
8.1 進(jìn)程 205
8.1.1 進(jìn)程的來由 205
8.1.2 進(jìn)程描述符 207
8.1.3 進(jìn)程的生命周期 209
8.1.4 進(jìn)程標(biāo)識 212
8.1.5 進(jìn)程間的家族關(guān)系 212
8.1.6 獲取當(dāng)前進(jìn)程 214
8.2 進(jìn)程的創(chuàng)建和終止 216
8.2.1 寫時(shí)復(fù)制技術(shù) 216
8.2.2 fork()函數(shù) 217
8.2.3 vfork()函數(shù) 218
8.2.4 clone()函數(shù) 218
8.2.5 內(nèi)核線程 219
8.2.6 do_fork()函數(shù) 219
8.2.7 終止進(jìn)程 221
8.2.8 僵尸進(jìn)程和托孤進(jìn)程 222
8.2.9 進(jìn)程0和進(jìn)程1 222
8.3 進(jìn)程調(diào)度 223
8.3.1 進(jìn)程分類 224
8.3.2 進(jìn)程優(yōu)先級 224
8.3.3 時(shí)間片 225
8.3.4 經(jīng)典調(diào)度算法 225
8.3.5 Linux O(n)調(diào)度算法 228
8.3.6 Linux O(1)調(diào)度算法 228
8.3.7 Linux CFS調(diào)度算法 228
8.3.8 進(jìn)程切換 233
8.3.9 與調(diào)度相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 239
8.4 多核調(diào)度 241
8.4.1 調(diào)度域和調(diào)度組 241
8.4.2 負(fù)載計(jì)算 244
8.4.3 負(fù)載均衡算法 245
8.5 實(shí)驗(yàn) 246
8.5.1 實(shí)驗(yàn)1：fork和clone 246
8.5.2 實(shí)驗(yàn)2：內(nèi)核線程 247
8.5.3 實(shí)驗(yàn)3：后臺守護(hù)進(jìn)程 247
8.5.4 實(shí)驗(yàn)4：進(jìn)程權(quán)限 247
8.5.5 實(shí)驗(yàn)5：設(shè)置優(yōu)先級 247
8.5.6 實(shí)驗(yàn)6：per-cpu變量 248
第9章 同步管理 250
9.1 原子操作與內(nèi)存屏障 251
9.1.1 原子操作 251
9.1.2 內(nèi)存屏障 253
9.2 自旋鎖機(jī)制 254
9.2.1 自旋鎖定義 254
9.2.2 自旋鎖變種 256
9.2.3 自旋鎖和raw_spin_lock 257
9.2.4 自旋鎖的改進(jìn) 257
9.3 信號量 258
9.4 互斥體 259
9.5 讀寫鎖 261
9.5.1 讀寫鎖定義 261
9.5.2 讀寫信號量 262
9.6 RCU 264
9.7 等待隊(duì)列 267
9.7.1 等待隊(duì)列頭 267
9.7.2 等待隊(duì)列節(jié)點(diǎn) 268
9.8 實(shí)驗(yàn) 269
9.8.1 實(shí)驗(yàn)1：自旋鎖 269
9.8.2 實(shí)驗(yàn)2：互斥鎖 269
9.8.3 實(shí)驗(yàn)3：RCU 269
第 10章 中斷管理 270
10.1 Linux中斷管理機(jī)制 270
10.1.1 ARM中斷控制器 271
10.1.2 硬件中斷號和Linux中斷號的映射 275
10.1.3 注冊中斷 276
10.2 軟中斷和tasklet 278
10.2.1 SoftIRQ軟中斷 279
10.2.2 tasklet 280
10.2.3 local_bh_disable local_bh_enable 281
10.2.4 本節(jié)小結(jié) 282
10.3 工作隊(duì)列機(jī)制 282
10.3.1 工作隊(duì)列類型 283
10.3.2 使用工作隊(duì)列 285
10.3.3 本節(jié)小結(jié) 285
10.4 實(shí)驗(yàn) 286
10.4.1 實(shí)驗(yàn)1：tasklet 286
10.4.2 實(shí)驗(yàn)2：工作隊(duì)列 286
10.4.3 實(shí)驗(yàn)3：定時(shí)器和內(nèi)核線程 287
第 11章 調(diào)試和性能優(yōu)化 288
11.1 printk和動態(tài)輸出 289
11.1.1 printk輸出函數(shù) 289
11.1.2 動態(tài)輸出 290
11.1.3 實(shí)驗(yàn)1：printk 292
11.1.4 實(shí)驗(yàn)2：動態(tài)輸出 292
11.2 proc和debugfs 293
11.2.1 proc文件系統(tǒng) 293
11.2.2 sys文件系統(tǒng) 295
11.2.3 debugfs 296
11.2.4 實(shí)驗(yàn)3：procfs 297
11.2.5 實(shí)驗(yàn)4：sysfs 298
11.2.6 實(shí)驗(yàn)5：debugfs 300
11.3 ftrace 301
11.3.1 irqs跟蹤器 302
11.3.2 preemptoff跟蹤器 304
11.3.3 preemptirqsoff跟蹤器 305
11.3.4 function跟蹤器 306
11.3.5 動態(tài)ftrace 307
11.3.6 事件跟蹤 308
11.3.7 實(shí)驗(yàn)6：使用frace 310
11.3.8 實(shí)驗(yàn)7：添加一個(gè)新的跟蹤點(diǎn) 311
11.3.9 實(shí)驗(yàn)8：使用示蹤標(biāo)志 314
11.3.10 實(shí)驗(yàn)9：使用kernelshark來分析數(shù)據(jù) 317
11.4 實(shí)驗(yàn)10：分析oops錯(cuò)誤 319
11.5 perf性能分析工具 323
11.5.1 實(shí)驗(yàn)11：使用perf工具來進(jìn)行性能分析 328
11.5.2 實(shí)驗(yàn)12：采集perf數(shù)據(jù)生成火焰圖 329
11.6 內(nèi)存檢測 329
11.6.1 實(shí)驗(yàn)13：使用slub_debug檢查內(nèi)存泄漏 330
11.6.2 實(shí)驗(yàn)14：使用kmemleak檢查內(nèi)存泄漏 335
11.6.3 實(shí)驗(yàn)15：使用kasan檢查內(nèi)存泄漏 337
11.6.4 實(shí)驗(yàn)16：使用valgrind檢查內(nèi)存泄漏 340
11.7 實(shí)驗(yàn)17：kdump 342
11.8 性能和測試 348
11.8.1 性能測試概述 348
11.8.2 實(shí)驗(yàn)18：使用lkp-tests工具進(jìn)行性能測試 349
第 12章 開源社區(qū) 350
12.1 什么是開源社區(qū) 350
12.1.1 開源軟件的發(fā)展歷史 350
12.1.2 Linux基金會 351
12.1.3 開源協(xié)議 351
12.1.4 Linux內(nèi)核社區(qū) 353
12.1.5 國內(nèi)開源社區(qū) 354
12.2 參與開源社區(qū) 354
12.2.1 參與開源項(xiàng)目的好處 354
12.2.2 如何參與開源項(xiàng)目 355
12.3 實(shí)驗(yàn)1：使用cppcheck檢查代碼 356
12.4 實(shí)驗(yàn)2：提交第 一個(gè)Linux內(nèi)核補(bǔ)丁 357
12.5 實(shí)驗(yàn)3：管理和提交多個(gè)補(bǔ)丁組成的補(bǔ)丁集 359
12.6 實(shí)驗(yàn)4：在Gitee中創(chuàng)建一個(gè)開源項(xiàng)目 363
參考文獻(xiàn) 366